ALICE实验揭示轻原子核在极端碰撞中形成的机制

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上的ALICE实验团队取得了一项关于轻原子核形成过程的重大科学进展。这项由慕尼黑工业大学（TUM）研究人员主导的发现，阐明了氘核和反氘核如何在极端碰撞温度下得以存续的机制。该研究成果已于2025年12月在权威学术期刊《自然》（Nature）上发表，为粒子物理学领域一个长期存在的难题提供了实验性解答。

这项研究颠覆了传统认知，表明形成氘核所需的质子和中子并非在碰撞初始的极热阶段就已存在。相反，它们是通过短寿命、高能粒子态的衰变过程产生的，这些粒子态被称为共振，例如知名的Δ(1232)共振。随后，这些新生成的核子在碰撞系统温度逐渐降低的过程中，通过末态核聚变的方式结合在一起。

ALICE实验的精确测量提供了决定性证据，表明大约90%的可观测氘核和反氘核是通过这种共振衰变途径形成的。慕尼黑工业大学的劳拉·法比埃蒂教授指出，这些测量数据证实了轻原子核的形成发生在碰撞条件“相对更冷、更平静”的阶段，而非初始的炽热瞬间。该研究的定量分析表明，约60.6%的氘核直接来源于Δ共振衰变过程。

这项工作极大地深化了对“强相互作用”的理解，即束缚原子核内质子和中子的基本力。此外，该研究对天体物理学具有深远意义，特别是为解释宇宙射线数据提供了实验依据。隶属于“起源”卓越集群（ORIGINS Cluster of Excellence）的法比埃蒂教授及其同事卢卡斯·海因里希教授，因其合作研究，已于2025年4月荣获基础物理学突破奖，该集群的第二阶段资助已于2025年5月获得批准，并将于2026年1月1日启动新一轮研究。

ALICE实验的独特之处在于其专为研究LHC提供的超相对论能量下的原子核碰撞而优化，旨在重构宇宙诞生最初瞬间的条件，从而更深入地理解夸克-胶子汤如何演化为稳定的原子核乃至物质本身。值得注意的是，LHC上的所有四大实验——ALICE、ATLAS、CMS和LHCb——的国际研究人员共同获得了2025年的基础物理学突破奖，以表彰他们在检验标准模型和探索新物理学方面的集体贡献。

CERN的LHC通过高能质子对撞来重现宇宙早期的极端条件，而ALICE探测器则通过精确追踪每次碰撞产生的粒子，为研究强相互作用提供了前所未有的数据精度。此次发现不仅是粒子物理学界的一项里程碑，也为理解宇宙中基本物质的构建过程提供了关键的实验支撑。